Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной
Несмотря на то что сегодня оценка возраста Земли по Кельвину в целом подпадает под понятие «ляпсус», тем не менее я считаю, что ляпсус этот совершенно блистательный. Кельвин произвел переворот в геохронологии, превратил расплывчатые спекуляции в настоящую науку, опирающуюся на законы физики. Его новаторские труды положили начало живому диалогу между геологами и физиками – взаимообмену, который продолжался до тех пор, пока все противоречия не удалось полностью уладить. При этом Кельвин параллельно занимался и возрастом Солнца – и из его работ очевидно следовало, что необходимо искать новые источники энергии.
Сам Чарльз Дарвин прекрасно понимал, что выкладки Кельвина препятствуют его теории и что это препятствие следует ликвидировать. Когда он в последний раз пересматривал «Происхождение видов», то писал:
«Что же касается промежутка времени, который истек с той поры, когда наша планета затвердела, и его недостаточности для предполагаемого размера изменения органического мира, то возражение, упорно защищаемое сэром Уильямом Томсоном [Кельвином], по всей вероятности, одно из самых важных, какие были до сих пор выдвинуты, и я могу сказать лишь следующее: во-первых, мы не знаем, как быстро протекают изменения видов, если выражать это время годами, и, во-вторых, многие ученые еще до сих пор не допускают, что строение Вселенной и внутренности нашей планеты известны нам в такой степени, которая допускала бы сколько-нибудь достоверные соображения о продолжительности ее существования[169].»
К сожалению, Дарвин не дожил до того времени, когда Перри выдвинул свою гипотезу о конвекции в недрах Земли, до открытия радиоактивности и до понимания, что в ядрах звезд идут реакции термоядерного синтеза – то есть до того времени, когда временные ограничения, установленные Кельвином, рухнули под натиском научных открытий. Однако факт остается фактом: именно выкладки Кельвина привлекли внимание к этой проблеме и к тому, что ее надо решать.
Для нас, людей, одно из главных преимуществ того, что Земля уже так давно, целых 4,5 миллиарда лет, греется в лучах солнечной энергии, состоит в том, что на нашей планете возникла сложная жизнь. Однако кирпичики, из которых слагаются все живые организмы, – это клетки, и лишь к 1880 годам ученые, вооружившись мощной оптикой, сумели изучить внутреннюю структуру клеток и пустили в обращение термин «хромосома»: так они назвали тельца, похожие на пружинки, обнаруженные в ядрах клеток. Вскоре после этого была заново открыта работа Менделя о генах («факторах»), а революционные исследования Томаса Ханта Моргана и его учеников в Колумбийском университете позволили построить карту позиций генов вдоль хромосом. В 1944 году в хромосомах была выявлена особая молекула – ДНК, которая заняла главное место в изучении генетики. Вскоре биологи поняли, что все клетки получают информацию не от белков, а от двух молекул – ДНК и РНК, так называемых нуклеиновых кислот. Ученые установили, что молекулы ДНК – это начальство, руководящее лихорадочной деятельностью внутри клетки, а кроме того, именно эти молекулы умеют создавать точные копии самих себя. А молекулы РНК, как было показано, отвечают за передачу распоряжений, которые отдают молекулы ДНК, остальной клетке. Вместе эти молекулы содержат всю информацию, которая необходима, чтобы заставить функционировать яблоню, змея, женщину и мужчину. Открытие молекулярной структуры белков и ДНК – это две самые интересные истории о том, как ученые углублялись в происхождение и устройство жизни. Однако и в эти истории также вкрались два колоссальных ляпсуса.
Глава 6. Толкователь жизни
В сфере наблюдений случай благоволит лишь подготовленному уму.
Луи ПастерВ тот декабрьский день 1950 года в лекционном зале лаборатории имени Густава Кирхгофа[170] в Калифорнийском технологическом институте было людно как никогда. Распространились слухи, что знаменитый химик Лайнус Полинг собирается поведать что-то подлинно сенсационное, возможно, даже даст ответ на одну из величайших загадок жизни. Когда Полинг наконец появился, его ассистент внес что-то похожее на большую скульптуру, завернутую в ткань и обвязанную веревкой. Сама лекция в очередной раз показала, как блестяще Полинг знает свой предмет – химию – и какой он великолепный рассказчик. Некоторое время лектор держал своих слушателей в напряжении, а затем перочинным ножом разрезал веревку – и словно фокусник, извлекающий кролика из шляпы, явил публике модель, получившую название альфа-спирали: трехмерную модель базовой структуры множества белков, изготовленную из шариков и палочек.
В числе прочих, кто слушал этот доклад-фейерверк – правда, с расстояния в несколько тысяч миль, из Женевы, – был Джеймс Уотсон, которому всего через три года предстояло открыть структуру ДНК (совместно с Фрэнсисом Криком). Уотсон был в гостях[171] у швейцарского молекулярного биолога Жана Вайгле, который – так уж вышло – только что вернулся домой, проведя зиму в Калифорнийском технологическом институте. И хотя Вайгле не мог вполне оценить, насколько точна разноцветная деревянная модель Полинга, его рассказа о поразительной лекции хватило, чтобы Уотсон горячо заинтересовался этим предметом и вдохновился на дальнейшие исследования. К этой увлекательной истории мы еще вернемся.
К сентябрю 1951 года рассказы о научных достижениях Полинга добрались даже до страниц журнала «Life»[172] [169], где красовалась фотография улыбающегося Полинга, который показывал на свою альфа-спираль, а ниже значилось: «Химики нашли разгадку великой тайны. Определена структура белка». В статье в «Life» кратко и популярно рассказывалось о событиях самого чудесного года за всю научную карьеру Полинга. Достаточно отметить, что в выпуске «Proceeding of the National Academy of Sciences» за май 1951 года было напечатано целых семь статей Полинга и его сотрудника Роберта Кори о структуре белков – от коллагена до стержня птичьего пера. Такова была кульминация пятнадцати лет новаторских исследований.
Путь к модели альфа-спирали
О белках Полинг начал размышлять еще в тридцатые годы[173]. Первые его статьи на эту тему[174] были посвящены теории гемоглобина – железосодержащего белка в красных кровяных тельцах: предполагалось, что каждый из четырех атомов железа в этой молекуле образует химическую связь с молекулой кислорода. Работая над этой темой, Полинг предложил новую методику экспериментов. Ему пришла в голову мысль, что важные сведения о природе связей между атомами железа и окружающими их группами можно почерпнуть из измерения магнитных свойств некоторых белков. Оказалось, что это и в самом деле плодотворный инструмент в структурной химии. Например, Полинг весьма результативно применял исследования магнитных свойств для определения скорости нескольких химических реакций.
Примерно в это же время в Пасадену сотрудничать с группой Полинга приехал ведущий специалист по белкам Альфред Мирски[175]. Это случайное сотрудничество между двумя выдающимися учеными стало отправной точкой для научных изысканий, приведших к потрясающим открытиям. Сначала Мирски и Полинг[176] выдвинули предположение, что нативный белок – неизмененный белок в своем естественном состоянии внутри клетки – состоит из цепочек аминокислот[177], получивших название полипептиды, сложенных из повторяющихся звеньев в определенный ритмический узор. Вскоре после этого Полинг понял, что главный вопрос – то, как именно они сложены.
К счастью, в начале тридцатых годов начали поступать первые данные экспериментов по дифракции рентгеновских лучей. Это оказался весьма информативный метод, а состоял он в том, что ученые направляли пучок рентгеновских лучей на кристалл, а затем по тому, как невидимые лучи отражались от образца, пытались реконструировать структуру этого кристалла – то есть вычислить расстояния между атомами и разобраться, как они ориентированы друг относительно друга. В распоряжении Полинга оказались изображения рентгеновской дифракции, полученные физиком Уильямом Астбери[178] при исследовании волос, шерсти, рога и ногтей (все они содержат так называемый альфа-кератин). Правда, рентгеновские снимки были довольно расплывчаты и не позволяли надежно определить структуру. Тем не менее на них было видно, что одинаковая структура повторяется вокруг оси волоса каждые 5,1 ангстрем (ангстрем – единица длины, равная одной стомиллионной сантиметра). Учитывая относительно низкое качество рентгеновских снимков, Полинг решил подойти к проблеме с другой стороны – опереться на структурную химию, то есть на ожидаемые силы взаимодействия между атомами, чтобы предсказать форму и параметры полипептидной цепи, а затем изучить различные возможные конфигурации, которые не противоречили бы экспериментальным изображениям на рентгеновских снимках.
